tio2光催化原理和應(yīng)用(已修改)
2025-08-06 00:57 本頁(yè)面
【正文】 WORD格式整理 TiO2光催化原理及應(yīng)用在世界人口持續(xù)增加以及廣泛工業(yè)化的過(guò)程中，飲用水源的污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重。根據(jù)世界衛(wèi)生組織的估計(jì)，地球上 22% 的居民日常生活中的飲用水不符合世界衛(wèi)生組織建議的飲用水標(biāo)準(zhǔn)。長(zhǎng)期攝入不干凈飲用水將會(huì)對(duì)人的身體健康造成嚴(yán)重危害 , 世界范圍內(nèi)每年大概有 200 萬(wàn)人由于水傳播疾病死亡。水中的污 染物呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，常見(jiàn)的污染物包括有毒重金屬、自然毒素、藥物、有機(jī)污染物等。常規(guī)的飲用水凈化技術(shù)有氯氣、臭氧和紫外線消毒以及過(guò)濾、吸附、靜置等，但是這些方法對(duì)新生的污物往往不是非常有效，并且可能導(dǎo)致二次污染。包括我國(guó)在內(nèi)世界范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的氯氣消毒法，可能在水中生成對(duì)人類健康有害的高氯酸鹽。臭氧消毒是比較安全的消毒方法，但是所需設(shè)備昂貴；而紫外線消毒法需要能源支持，并且日常的維護(hù)都需要專業(yè)的技術(shù)人員；吸附法一般需要消耗大量的吸附劑，使用過(guò)的吸附劑一般需要額外的處理。這些缺點(diǎn)限制了它們的應(yīng)用范圍，迫切需要發(fā)展一種高效、綠色、簡(jiǎn)單的凈化水技術(shù)。自然界中，植物、藻類和某些細(xì)菌能在太陽(yáng)光的照射下，利用光合色素將二氧化碳（或硫化氧）和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣（或氫氣）。這種光合作用是一系列復(fù)雜代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。光化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程與植物的光合作用很相似。光化學(xué)反應(yīng)一般可以分為直接光解和間接光解兩類。直接光解為物質(zhì)吸收能量達(dá)到激發(fā)態(tài)，吸收的能量使反應(yīng)物的電子在軌道間的轉(zhuǎn)移，當(dāng)強(qiáng)度夠大時(shí)，可造成化學(xué)鍵的斷裂，產(chǎn)生其它物質(zhì)。直接光解是光化學(xué)反應(yīng)中最簡(jiǎn)單的形式，但這類反應(yīng)產(chǎn)率一般較低。間接光解則為反應(yīng)系統(tǒng)中某一物質(zhì)吸收光能后，再誘使另一種物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。半導(dǎo)體在光的照射下，能將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，促使化合物的合成或使化合物(有機(jī)物、無(wú)機(jī)物)分解的過(guò)程稱之為半導(dǎo)體光催化。半導(dǎo)體光催化是光化學(xué)反應(yīng)的一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，它能使許多通常情況下難以實(shí)現(xiàn)或不可能進(jìn)行的反應(yīng)在比較溫和的條件下順利進(jìn)行。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，光催化技術(shù)具有兩個(gè)最顯著的特征：第一，光催化是低溫深度反應(yīng)技術(shù)。光催化氧化可在室溫下將水、空氣和土壤中有機(jī)污染物等完全氧化二氧化碳和水等產(chǎn)物。第二，光催化可利用紫外光或太陽(yáng)光作為光源來(lái)活化光催化劑，驅(qū)動(dòng)氧化－還原反應(yīng)，達(dá)到凈化目的，對(duì)凈化受無(wú)機(jī)重金屬離子污染的廢水及回收貴金屬亦有顯著效果。許多半導(dǎo)體材料(如TiO2，ZnO，F(xiàn)e2O3，ZnS，CdS等)具有合適的能帶結(jié)構(gòu)可以作為光催化劑。但是，由于某些化合物本身具有一定的毒性，而且有的半導(dǎo)體在光照下不穩(wěn)定，存在不同程度的光腐蝕現(xiàn)象。在眾多半導(dǎo)體光催化材料中，TiO2以其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、氧化還原性強(qiáng)、抗腐蝕、無(wú)毒及成本低而成為目前最為廣泛使用的半導(dǎo)體光催化劑。TiO2屬于一種n型半導(dǎo)體材料，它有三種晶型——銳鈦礦相、金紅石相和板鈦礦相，板鈦礦的光催化性能和穩(wěn)定性最差，基本沒(méi)有相關(guān)的研究和應(yīng)用。而銳鈦礦型和金紅石型均屬四方晶系，兩種晶型都是由相互連接的TiO6八面體組成的，每個(gè)Ti原子都位于八面體的中心，且被6個(gè)O原子圍繞。兩者的差別主要是八面體的畸變程度和相互連接方式不同。金紅石和銳鈦礦晶胞結(jié)構(gòu)的差異也導(dǎo)致了這兩種晶型物化性質(zhì)的不同。從熱力學(xué)角度看，金紅石是相對(duì)最穩(wěn)定的晶型，熔點(diǎn)為1870℃；而銳鈦礦是二氧化鈦的低溫相，一般在500℃~600℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榻鸺t石。二氧化鈦晶型轉(zhuǎn)變的實(shí)質(zhì)是晶胞結(jié)構(gòu)組成單元八面體的結(jié)構(gòu)重排。金紅石晶型結(jié)構(gòu)中原子排列更加致密，密度、硬度、介電常數(shù)更高，對(duì)光的散射也更大。因此，金紅石是常用的白色涂料和防紫外線材料，對(duì)紫外線有非常強(qiáng)的屏蔽作用，在工業(yè)涂料和化妝品方面有著廣泛的應(yīng)用。銳欽礦的帶隙寬度為稍大于金紅石的，光生電子和空穴不易在表面復(fù)合，因而具有更高的光催化活性能夠直接利用太陽(yáng)光中的紫外光進(jìn)行光催化降解，而且不會(huì)引起二次污染。因此，銳鈦礦是常用的處理環(huán)境污染方面問(wèn)題的光催化材料。（銳鈦礦）,(紫外光)照射時(shí)，價(jià)帶的電子就會(huì)獲得光子的能量而躍遷至導(dǎo)帶，形成光生電子(e)。而價(jià)帶中則相應(yīng)地形成光生空穴(h+)。如果把分散在溶液中的每一顆TiO2粒子近似看成是小型短路的光電化學(xué)電池，則光電效應(yīng)應(yīng)產(chǎn)生的光生電子和空穴在電場(chǎng)的作用下分別遷移到TiO2表面不同的位置。TiO2表面的光生電子e易被水中溶解氧等氧化性物質(zhì)所捕獲，生成超氧自由基O2；而空穴h+則可氧化吸附于TiO2表面的有機(jī)物或先把吸附在TiO2表面的OH和H2O分子氧化成羥基自由基OH；OH和O2
環(huán)評(píng)公示相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號(hào)-1